康奈尔大学的研究人员首次观测到氮化镓空穴中的量子振荡，这一突破有望拓展该半导体材料的技术应用范围。氮化镓作为一种能在高压、高温和高频条件下工作的半导体，已广泛应用于LED照明和高功率电子技术领域。

在发表于《自然电子学》的一项新研究中，研究人员报告了首次观测到限制在氮化镓和氮化铝界面处二维空穴气中的空穴量子振荡。这些振荡作为电子结构的探针，揭示了关键的材料特性，如有效质量。

主要作者、康奈尔大学达菲尔德工程学院Jena-Xing实验室的博士生张川表示：“我们研究的一个重要推动因素是我们能够生长出具有近乎完美晶格和极少缺陷的高质量晶体。这种质量水平产生了创纪录的空穴迁移率，使得振荡得以出现。”

研究人员依赖洛斯阿拉莫斯国家高磁场实验室脉冲场设施提供的极高脉冲磁场，以及能在低至2开尔文的低温环境中可靠工作的电接触开发。通过这些工具，他们直接观察了氮化镓的价带结构，揭示了移动相对较快的较轻空穴和移动较慢的较重空穴等关键细节。

William L. Quackenbush教授Huili Grace Xing指出：“尽管氮化镓研究已有半个世纪，但直到现在还没有人能够观测到氮化镓中空穴的量子振荡。这让我们理解了许多输运现象、质量、能带结构——所有这些对工程设备设计都非常有用。”

量子振荡的观测建立在Jena-Xing实验室最近几篇研究论文的基础上，这些论文逐步绘制了氮化镓中空穴的行为，包括首次发现二维空穴气和轻空穴，以及测量空穴移动的速度。该实验室同时追求基础物理和设备工程的理念。

Debdeep Jena教授表示：“在一个相对较小的研究小组中，能够同时进行基础研究和技术开发，这并不常见。这是我们的优势之一，也是我们工作的一个显著特点。”

该小组现在希望利用这些新见解，设计结合宽带隙材料优势和硅电荷传输能力的半导体器件。应用与工程物理博士生、该研究的合著者Joseph Dill说：“我们想看看是否能把氮化镓中空穴的迁移率推得更高。既然我们已经掌握了这些有效质量和能带结构的知识，这就是我们现在前进的方向。”

除了改进晶体管设计，这项研究还为探索宽带隙半导体中的量子现象提供了新机会。张川总结道：“这是首次在氮化镓空穴中进行这类实验。我们将这种材料引入了以前不可能的量子振荡研究领域。”

出版详情：作者：Syl Kacapyr, Cornell University；标题：《First quantum oscillations observed in gallium nitride holes》；发表于：《Nature Electronics》(2026)；期刊信息：《Nature Electronics》。